HRL Laboratories entwickelt neues Verfahren zum 3D-Druck von bruchfesten Keramikmatrix-Verbundwerkstoffen

Forscher von HRL Laboratories, einem Forschungszentrum im Besitz von General Motors und Boeing, haben eine neuartige Methode zum 3D-Druck von Teilen unter Verwendung von bruchfesten Keramik-Matrix-Verbundwerkstoffen (CMCs) entwickelt.

Das HRL-Team entwickelte ein neues präkeramisches Harz auf Siloxanbasis, verstärkte es mit inerten Partikeln und wandte dann einen extremen Erhitzungsprozess namens Pyrolyse an, um es in Siliziumoxycarbid (SiOC) umzuwandeln. Das resultierende glasartige Material wies eine verbesserte Haltbarkeit auf, und nach Ansicht des Forschungsteams könnte es in neuen energieempfindlichen Bereichen wie Antrieb, Energieerzeugung und chemische Verarbeitung eingesetzt werden.

Unter Verwendung eines Prodways ProMaker L5000 Industriedruckers stellten die Forscher dann eine Serie von Proben her, um die Entwicklung zu bewerten und zu optimieren. Nach einer Reihe von Charakterisierungs-Tests identifizierte das Team einen hohen Grad an Partikeldispersion, aber auch ein merkwürdiges Verhalten bei der Zugfestigkeit der verstärkten Teile.

Wie sich herausstellte, waren die dickeren Proben anfälliger für Rissbildung als ihre dünneren Pendants, und durch diese Entdeckung identifizierte das HRL-Team einen “Sweet Spot” im Grad der Verstärkung, den sie erreichen konnten. Eine zu hohe Zugabe des Verstärkungselements würde die “Packungsgrenze” überschreiten und das Teil schwächen, obwohl es nicht genug enthält, was die Keramik anfällig für Brüche machen könnte.

Nachdem das Forschungsteam seit 2016 an ihrer Technik gearbeitet hat, ist es der Meinung, dass sie endlich eine gut dispergierte, verstärkte Keramik mit verringerter Schrumpfung nach Erwärmung geschaffen haben könnte. Produkte, die mit dem verbesserten Material gedruckt wurden, wiesen eine dreimal größere Wandstärke und eine Zähigkeit von über 3 MPa auf, was das HRL-Team zu der Schlussfolgerung veranlasste, dass nun neue, komplexere Keramikteile möglich sein könnten.

Die Ergebnisse der Forscher werden in ihrer Arbeit mit dem Titel “Additive manufacturing of polymer-derived ceramic matrix composites” beschrieben. Als Autoren werden Mark R. O’Masta, Ekaterina Stonkevitch, Kayleigh A. Porter, Phuong P. Bui, Zak C. Eckel und Tobias A. Schaedler genannt.